Ứng dụng công nghệ GPS trong việc thiết kế xây dựng lưới khống chế phục vụ đo vẽ, thành lập bản đồ địa chính xã Tiên Phương, huyện Chương Mỹ, TP.Hà Nội

MỤC LỤCLỜI CẢM ƠN iDANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ivPHẦN 1. MỞ ĐẦU 11.1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 11.2. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 21.2.1. Mục tiêu tổng quát 21.2.2. Mục tiêu cụ thể 21.3. PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2PHẦN 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 32.1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG TÁC XÂY DỰNG LƯỚI 32.1.1. Khái niệm lưới khống chế đo vẽ 32.1.2. Các phương pháp xây dựng lưới khống chế đo vẽ 32.1.3. Nguyên tắc thành lập lưới và thiết kế lưới GPS 62.2. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ HỆ THỐNG VỆ TINH DẪN ĐƯỜNGTOÀN CẦU(GNSS). 82.2.1. Giới thiệu về công nghệ GNSS. 82.3. GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ GPS 102.3.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS 102.3.2. Các đại lượng đo GPS 142.3.3. Các phương pháp đo GPS 162.3.4. Các nguồn sai số trong đo GPS 252.3.5. Ưu nhược điểm của hệ thống định vị GPS 30PHẦN 3. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 323.1. ĐỊA ĐIỂM VÀ THỜI GIAN NGHIÊN CỨU 323.2. ĐỐI TƯỢNG VÀ VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU 323.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 323.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3233.4.1. Phương pháp đo vẽ trực tiếp 323.4.2. Phương pháp xử lý số liệu 333.4.3. Phương pháp so sánh 33PHẦN 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 344.1. ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN, KINH TẾ XÃ HỘI 344.1.1. Điều kiện tự nhiên 344.1.2. Điều kiện kinh tế, xã hội 344.2. CÁC TƯ LIỆU TRẮC ĐỊA, BẢN ĐỒ PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU 354.2.1. Tư liệu trắc địa 354.2.2. Đánh giá tư liệu 354.3. THIẾT KẾ LƯỚI GPS 354.3.1. Sơ đồ lưới GPS 354.3.2. Thiếu kế ca đo 354.3.3. Tổ chức đo lưới bằng công nghệ GPS 364.4. BÌNH SAI LƯỚI GPS BẰNG PHẦN MỀM 374.4.1. Tạo một Project mới 374.4.2. Nhập dữ liệu 394.4.3. Xử lý cạnh 414.4.4. Bình sai lưới tự do 424.4.5. Bình sai lưới trong hệ tọa độ khu vực 444.4.6. Biên tập kết quả bình sai 45PHẦN 5. KÊT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 605.1. KẾT LUẬN 605.2. KIẾN NGHỊ 60TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

LỜI CẢM ƠN

Để kết thúc khóa học 2013-2017 và đánh giá kết quả học tập 4 năm củahọc sinh sinh viên Được sự nhất trí của ban giám hiệu trường Đại học Lâmnghiệp, Viện Quản lý đất đai và Phát triển nông thôn em đã tìm hiểu và thực

hiện khóa luận tốt nghiệp: “Ứng dụng công nghệ GPS trong việc thiết kế xây

dựng lưới khống chế phục vụ đo vẽ, thành lập bản đồ địa chính xã Tiên Phương, huyện Chương Mỹ, TP.Hà Nội”.

Trong quá trình thực hiện đề tài này, bên cạnh sự lỗ lực cố gắng vận dụngnhững kiến thức cũng như hiểu biết của bản thân, em đã nhận được sự quan tâmgiúp đỡ của Nhà trường; Thầy, cô trong Viện Quản lý đất đai và Phát triển nôngthôn; Ban lãnh đạo và tập thể cán bộ UBND xã Tiên Phương; anh chị trongTrung tâm xử lý số liệu- Trung tâm trắc địa bản đồ biển- Tổng cục biển và hảiđảo, gia đình, bạn bè; đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình của ThS Phùng TrungThanh đã trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiệnnghiên cứu đề tài

Mặc dù đã cố gắng học tập, tìm hiểu tình hình thực tế tại địa phươngnhưng do trình độ, kinh nghiệm còn hạn chế nên bài khóa luận không tránh khỏinhững sai sót Em rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và bạn bè

để khóa luận được hoàn thiện hơn

Em xin bày tỏ lòng cảm ơn tới thầy giáo ThS Phùng Trung Thanh đãhướng dẫn tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho em trong suốt quátrình thực hiện và hoàn thành khóa luận tốt nghiệp

Qua đây em cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo trong Viện Quản

lý đất đai và Phát triển nông thôn; Ban lãnh đạo và tập thể cán bộ UBND xãTiên Phương; anh chị trong Trung tâm xử lý số liệu- Trung tâm trắc địa bản đồbiển- Tổng cục biển và hải đảo đã tạo điều kiện giúp đỡ em hoàn thành bài khóaluận này

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng…năm 2017

Sinh viên thực hiện Phan Anh Tú

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iv

PHẦN 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1

1.2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 2

1.2.1 Mục tiêu tổng quát 2

1.2.2 Mục tiêu cụ thể 2

1.3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2

PHẦN 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

2.1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG TÁC XÂY DỰNG LƯỚI 3

2.1.1 Khái niệm lưới khống chế đo vẽ 3

2.1.2 Các phương pháp xây dựng lưới khống chế đo vẽ 3

2.1.3 Nguyên tắc thành lập lưới và thiết kế lưới GPS 6

2.2 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ HỆ THỐNG VỆ TINH DẪN ĐƯỜNG TOÀN CẦU(GNSS) 8

2.2.1 Giới thiệu về công nghệ GNSS 8

2.3 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ GPS 10

2.3.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS 10

2.3.2 Các đại lượng đo GPS 14

2.3.3 Các phương pháp đo GPS 16

2.3.4 Các nguồn sai số trong đo GPS 25

2.3.5 Ưu nhược điểm của hệ thống định vị GPS 30

PHẦN 3 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 32

3.1 ĐỊA ĐIỂM VÀ THỜI GIAN NGHIÊN CỨU 32

3.2 ĐỐI TƯỢNG VÀ VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU 32

3.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 32

3.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 32

3.4.1 Phương pháp đo vẽ trực tiếp 32

3.4.2 Phương pháp xử lý số liệu 33

3.4.3 Phương pháp so sánh 33

PHẦN 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 34

4.1 ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN, KINH TẾ XÃ HỘI 34

4.1.1 Điều kiện tự nhiên 34

4.1.2 Điều kiện kinh tế, xã hội 34

4.2 CÁC TƯ LIỆU TRẮC ĐỊA, BẢN ĐỒ PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU 35

4.2.1 Tư liệu trắc địa 35

4.2.2 Đánh giá tư liệu 35

4.3 THIẾT KẾ LƯỚI GPS 35

4.3.1 Sơ đồ lưới GPS 35

4.3.2 Thiếu kế ca đo 35

4.3.3 Tổ chức đo lưới bằng công nghệ GPS 36

4.4 BÌNH SAI LƯỚI GPS BẰNG PHẦN MỀM 37

4.4.1 Tạo một Project mới 37

4.4.2 Nhập dữ liệu 39

4.4.3 Xử lý cạnh 41

4.4.4 Bình sai lưới tự do 42

4.4.5 Bình sai lưới trong hệ tọa độ khu vực 44

4.4.6 Biên tập kết quả bình sai 45

PHẦN 5 KÊT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 60

5.1 KẾT LUẬN 60

5.2 KIẾN NGHỊ 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

GPS: Global Positioning System – Hệ thống định vị toàn cầu

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Chỉ tiêu kỹ thuật lưới tam giác 5

Bảng 2.2 Tiêu chuẩn kỹ thuật lưới GPS 7

Bảng 2.3 Quy định đo GPS 8

Bảng 2.4 So sánh độ chính xác của các giải sóng 15

Bảng 2.5 Thời gian đo hợp lý 22

Bảng 2.6 Bảng tổng hợp các nguồn sai số và cách khắc phục 30

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Đồ hình dạng chuỗi tam giác 4

Hình 2.2 Đồ hình đa giác trung tâm 4

Hình 2.3 Đồ hình tứ giác trắc địa 5

Hình 2.4 Đồ hình lưới tam giác rẻ quạt 5

Hình 2.5 Chuyển động của vệ tinh trên quỹ đạo 11

Hình 2.6 Sơ đồ bố trí các trạm điều khiển 12

Hình 2.7 Trimble R3 14

Hình 2.8 Trimble R4 14

Hình 2.9 Nguyên tắc xác định khoảng cách 15

Hình 2.10 Sơ đồ tọa độ không gian 17

Hình 2.11 Nguyên lý định vị tuyệt đối 17

Hình 2.12 Kỹ thuật đo tương đối 19

Hình 2.13 Trạm quan sát r vào 1 thời điểm 20

Hình 2.14 Trạm quan sát đồng hồ vệ tinh J, k tại 1 thời điểm 20

Hình 2.15 Trạm quan sát vệ tinh J, k tại 2 thời điểm 21

Hình 2.16 Định vị động 24

Hình 2.17 Sai số do tầng điện ly 28

Hình 2.18 Sai số do tầng ion và tầng đối lưu 28

Hình 3.1 Ảnh chụp toàn cảnh xã Tiên Phương 34

PHẦN 1 MỞ ĐẦU 1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Đất đai là vật mang sự sống, không gian tồn tại và phát triển của con người

Xã hội loài người ngày càng phát triển, dân số ngày càng đông nhu cầu sử dụng đấtngày càng nhiều và đa dạng Việc sử dụng đất không hợp lý, khoa học gây ra hậuquả nặng nề về kinh tế, xã hội và môi trường Do đó, việc sử dụng đất như thế nào

để đảm bảo việc sử dụng đất hợp lý cho các ngành, các lĩnh vực và nâng cao hiệuquả sử dụng đất đang là một vấn đề nóng bỏng và cần được quan tâm hàng đầu củamọi quốc gia trên thế giới, trong đó có Việt Nam

Có thể nói đất đai là vấn đề xuyên suốt mọi thời đại, tất cả các Nhà nướcđều coi việc quản lý nắm chặt quỹ đất đai của đất nước là vấn đề sống còn củaquốc gia, tài nguyên đất phục vụ cho chiến lược xây dựng và bảo vệ thế hệ đitrước đã tốn biết bao công sức và xương máu mới tạo lập, bảo vệ được vốn đấtđai như ngày nay Vì vậy trách nhiệm của chúng ta và các thế hệ mai sau là phảiquản lý đất đai thật tốt Trong hoạt động kinh tế của Quốc gia, khu vực và địaphương thì đất đai là nguồn tài nguyên, là yếu tố đầu vào không thể thiếu được.Tình hình dân số gia tăng nhưng diện tích đất đai có hạn, việc sử dụng một cáchtiết kiệm, hợp lý và có hiệu quả nguồn tài nguyên đất là hết sức quan trọng Mộttrong những công tác quản lý đất đai đó là đo đạc và thành lập bản đồ Ngày nayquá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa diễn ra nhanh nhóng nên công tác đođạc trong ngành quản lý đất đai ngày càng được chú trọng, có nhiều thiết bị,công nghệ hiện đại ra đời đáp ứng nhu cầu của người dân trong công tác đo đạc

và thành lập bản đồ

Một trong những công nghệ hiệ đại đang được ứng dụng rộng rãi trongnước và quốc tế đó chính là công nghệ GPS Công nghệ GPS được ứng dụngrộng rãi trong công tác đo đạc địa chính, trước hết là xây dựng mạng lưới cáccấp Theo quy định của Tổng cục địa chính, lưới địa chính, các cấp được pháttriển từ lưới khống chế tọa độ Nhà nước hạng I, II Lưới địa chính cơ sở là cơ sở

để phát triển các mạng lưới thấp hơn phục vụ cho công tác đo vẽ, xây dựng bảnđồ

Trên cơ sở nhận thức tầm quan trọng của ứng dụng công nghệ GPS xâydựng lưới khống chế GPS phục vụ công tác dồn điền đổi thửa, được sự phân

công của Bộ môn Quản lý đất đai, Viện Quản lý đất đai và Phát triển nông thôn

- Trường Đại học Lâm nghiệp Việt Nam, đồng thời được sự hướng dẫn của

giảng viên ThS Phùng trung Thanh tôi tiến hành nghiên cứu đề tài : “Ứng

dụng công nghệ GPS trong việc xây dựng lưới khống chế phục vụ đo vẽ, thành lập bản đồ địa chính xã Tiên Phương, huyện Chương Mỹ, TP.Hà Nội”.

1.2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

1.2.1 Mục tiêu tổng quát

Kết quả nghiên cứu góp phần hoàn thiện hệ thống lưới khống chế phục vụcông tác thành lập bản đồ địa chính xã Tiên Phương - huyện Chương Mỹ.Khẳng định những ưu điểm của việc ứng dụng công nghệ GPS trong công tácxây dựng lưới khống chế

1.2.2 Mục tiêu cụ thể

- Xây dựng lưới GPS phục vụ công tác đo vẽ, thành lập bản đồ địa chính

xã Tiên Phương, huyện Chương Mỹ, thành phố Hà Nội

- Tính toán bình sai lưới GPS xã Tiên Phương phục vụ công tác đo vẽ,thành lập bản đồ địa chính xã Tiên Phương, huyện Chương Mỹ, thành phố HàNội

PHẦN 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

2.1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG TÁC XÂY DỰNG LƯỚI

2.1.1 Khái niệm lưới khống chế đo vẽ

Lưới khống chế đo vẽ là cấp lưới cuối cùng phục vụ trực tiếp đo vẽ thànhlập bản đồ tỷ lệ lớn Từ hệ thống lưới này tiến hành đo vẽ chi tiết tới từng địavật (thửa đất hoặc lô thửa đất)

Lưới khống chế đo vẽ bao gồm lưới mặt bằng và lưới độ cao:

Lưới khống chế đo vẽ mặt bằng thành lập bằng các phương pháp như:đường chuyền kinh vĩ, hoặc hệ thống đường chuyền kinh vĩ, lưới tam giác nhỏhoặc sử dụng công nghệ GPS

Lưới khống chế đo vẽ độ cao được thành lập theo phương pháp đo caohình học hoặc phương pháp đo cao lượng giác Lưới đo cao được thành lập từnhững đường đo cao riêng biệt hoặc hệ thống các đường đo cao tự trên các điểm

độ cao của lưới cấp cao hơn

2.1.2 Các phương pháp xây dựng lưới khống chế đo vẽ

- Lưới đường chuyền

Lưới đường chuyền gồm các điểm nối với nhau tạo thành các đường gấpkhúc Đo tất cả các góc ngoặt và các cạnh trong lưới từ đó tính tạo độ cho tất cảcác điểm

Lưới đường chuyền bao gồm nhiều đường chuyền liên kết với nhau tạothành các điểm nút Lưới đường chuyền có ưu điểm là dễ chọn điểm, độ lớn củagóc ngoặt có thể thay đổi không hạn chế cho nên đồ hình lưới bố trí rất linhhoạt Hạn chế của lưới đường chuyền là có ít trị đo thừa, kết cấu hình học khôngchặt chẽ bằng lưới đo góc

- Lưới tam giác

Lưới tam giác là tập hợp các điểm được cố định chắc chắn ngoài thựcđịa, giữa chúng liên kết với nhau bởi các hình tam giác và các điều kiện toánhọc chặt chẽ Được xác định chung trong hệ thống tọa độ thống nhất, làm cơ sởphân bố chính xác các yêu tố nội dung bản đồ và hạn chế sai số lũy Lưới tam

giác nhỏ là một dạng lưới khống chế đo vẽ mặt bằng, được áp dụng ở nhữngkhu vực quang đãng, có tầm nhìn tốt, địa hình đồi núi.

Khi xây dựng lưới tam giác nhỏ dạng chêm dày thường sử dụng cạnh tamgiác hoặc đường chuyền cấp cao hơn làm cạnh gốc( cạnh mở đầu)

Lưới tam giác là loại lưới chêm dày ở khu vực đã có lưới khống chế cấpcao Thực tế sản xuất có thể sử dụng một số đồ hình lưới như sau:

1.Chuỗi tam giác

Hình 2.1 Đồ hình dạng chuỗi tam giác

2 Đa giác trung tâm

Hình 2.2 Đồ hình đa giác trung tâm

1 Tứ giác trắc địa

Hình 2.3 Đồ hình tứ giác trắc địa

3 Lưới dạng rẻ quạt

Hình 2.4 Đồ hình lưới tam giác rẻ quạt

Khi tiến hành thiết kế lưới tam giác người thiết kế phải tuân thủ các tiêu chí thiết kế lưới theo đúng quy phạm như sau:

Bảng 2.1 Chỉ tiêu kỹ thuật lưới tam giác

Các yếu tố đặc trưng Các chỉ tiêu kỹ thuật

Sai số trung phương cạnh yếu nhất 1:2000

Đo góc trong lưới tam giác người ta sử dụng các loại máy kinh vĩ có độchính xác <30” Mỗi góc tiến hành đo 3 vòng đo, giữa các vòng đo phải đo thay đổigiá trị ban đầu là 1800/n (n là số vòng đo) Tại các điểm tam giác thường có nhiềuhướng do đó sử dụng phương pháp đo toàn vòng để đo Sau khi đo tất cả các gốc vàcác góc đo được để tính ra chiều dài và góc phương vị của cạnh

- Lưới GPS

Các phương pháp xây dựng lưới nêu trên có nhược điểm là phải thốnghướng giữa các điểm liền kề Do ảnh hưởng của chiết quang và độ cong trái đấtnên không xây dựng lưới cạnh dài Để xây dựng lưới cạnh dài hoặc nối các lưới

ở xa nhau có độ chính xác cao, từ những năm 60 của thế kỷ XX ra đời phươngpháp mới gọi là trắc địa vệ tinh Đầu tiên người ta chụp ảnh vệ tinh nhân tạo trênnền sao, xác định hướng từ điểm ngắm đến vệ tinh, khoảng cách từ điểm ngắmđến vệ tinh được đo bằng máy đo khoảng cách Lazer đến vệ tinh Sai số vị tríđiểm mặt đất cần định vị từ chỗ 100m sau đã chỉ còn 10m Thập kỷ 70 với kỹthuật Doppler vệ tinh độ chính xác định vị đạt cỡ vài dm thậm chí vài mm Cácđiểm vệ tinh không cần thông hướng, khoảng cách giữa các điểm từ vài km đếnhàng nghìn km Bất cứ lúc nào, bất cứ ở đâu nếu thu tín hiệu tốt đều có thể định

vị điểm mặt đất Năm 1973 hệ thống GPS được thiết kế và nhanh chĩng đạt đượcnhững hiệu quả đáng kể Ở Việt Nam, các ứng dụng của công nghệ GPS mới chỉbắt đầu từ những năm 1990, song chúng ta đã khai thác có hiệu quả trong côngtác xây dựng và hoàn thiện mạng lưới thiên văn quốc gia Xây dựng mạng lướitrắc địa biển, liên kết đất liền với các hải đảo, góp phần xây dựng cơ sở dữ liệuhình thành hệ quy chiếu VN 2000 Công nghệ GPS còn được áp dụng để thànhlập lưới địa chính cơ sở phục vụ công tác đo vẽ bản đồ địa chính trong cả nước

2.1.3 Nguyên tắc thành lập lưới và thiết kế lưới GPS

- Lưới được phát triển từ cấp cao hơn

- Lưới đo bằng GPS được bố trí dưới dạng tam giác dày dặc, lưới đườngchuyền tạo thành các đa giác khép kín hoặc chuỗi tam giác Đảm bảo mạng lưới

cơ bản trên phải nối ít nhất 2 điểm tọa độ nhà nước

- Khi xử lý số liệu cần chuyển đổi kết quả về mặt qui chiếu và hệ tọa độnhà nước hiện hành.

- Đảm bảo mật độ điểm cần thiết để làm cơ sở phát triển xuống lướithấp hơn

- Thời gian đo GPS trên một điểm không ít hơn 30 phút

- Các điểm đo GPS đồng thời phải tiến hành tính các cạnh độc lập theophương pháp xử lý hậu kỳ

- Cách chọn vị trí điểm cơ sở trong khu đo

Điểm GPS phải chọn ở vị trí thỏa mãn các quy định sau đây:

- Đảm bảo góc nhìn xung quanh điểm không bị che khuất Trường hợp cóhướng bị che khuất khi lập lịch đo phải chọn đủ số vệ tinh tối thiểu cho trạm đo

- Các điểm phải thông hướng từng đôi một, tránh các nhà cao tầng, cácđịa vật cao xung quanh, không bị ảnh hưởng của các đài phát sóng điện

- Khoảng cách giữa các điểm không vượt quá 10km

- Vị trí chọn điểm tốt nhất ở những nới có thể lưu trữ lâu dài khi chônmốc, sau đó chọn điểm phải vẽ ghi chú điểm

- Lưới GPS phải đo nối với ít nhất 2 điểm tọa độ nhà nước hạng cao hơn.Các điểm hạng cao cần chọn đều ra các phía của lưới GPS thiết kế

- Khi xử lý số liệu cần tính chuyển kết quả về hệ quy chiếu và hệ tọa độ

VN 2000

-Bằng kỹ thuật đo tương đối tĩnh, người ta có thể xây dựng các mạnglưới có cạnh dài đến hàng trăm km Trong quy định đo GPS đã đưa ra một sốtiêu chuẩn kỹ thuật lưới GPS như sau :

Bảng 2.2 Tiêu chuẩn kỹ thuật lưới GPS

Sai số trung phương tương đối cạnh yếu nhất

Cấp hạng cạnh trungChiều dài

Sai sốTP tương đối cạnh yếu nhất Địa chính cơ

Địa chính cơ

ĐCCShạngIV

15

4-

1.6

hiệu (S)

TĩnhTĩnh nhanh

2.2 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ HỆ THỐNG VỆ TINH DẪN ĐƯỜNG TOÀN CẦU(GNSS).

2.2.1 Giới thiệu về công nghệ GNSS.

Hệ thống dẫn đường dẫn đường vệ tinh toàn cầu ( GNSS) là hệ thống định

vị quốc tế mới GNSS được cấu thành như một chòm sao (một nhóm hay một hệthống) của quỹ đạo vệ tinh kết hợp với thiết bị ở mặt đất.Trong cùng một thờiđiểm, ở một vị trí trên mặt đất nếu xác định được khoảng cách đến ba vệ tinh (tốithiểu) thì sẽ tính được tọa độ của vị trí đó.GNSS hoạt động trong mọi điều kiệnthời tiết, mọi nơi trên trái đất và 24 giờ một ngày

Hiện nay, GNSS là tên gọi chung cho các hệ thống định vị dẫn dường sửdụng vệ tinh, gồm: GPS (Global Positioning System) do Mỹ chế tạo và hoạtđộng từ năm 1994, GLONASS (GLobal Orbiting Navigation Satellite System)

do Nga chế tạo và hoạt động từ năm 1995, và hệ thống GALILEO mang tên nhàthiên văn học GALILEO do Liên minh châu Âu (EU) chế tạo đưa vào sử dụngtrong năm 2010 Gần đây nhất có Compass ( Trung Quốc), hệ thống IRNSS của

Ấn Độ Nguyên lý hoạt động chung của ba hệ thống GPS, GLONASS vàGALILEO cơ bản là giống nhau

- GPS

Tên gọi GPS (Global Positioning System) dùng để chỉ hệ thống định vịtoàn cầu do Bộ quốc phòng Mỹ thiết kế và điều hành Bộ Quốc phòng Mỹthường gọi GPS là NAVSTAR GPS (Navigation Signal Timing and RangingGlobal Positioning System).Mọi người đều có thể sử dụng GPS miễn phí Vệtinh đầu tiên của GPS được phóng vào tháng 2 năm 1978, vệ tinh gần đây nhất

là vệ tinh GPS IIR-M1 được phóng vào tháng 12 năm 2005 (Wikipedia,2006). GPS bao gồm 24 vệ tinh (tính đến năm 1994), đã được bổ sung thành 28

vệ tinh (vào năm 2000), chuyển động trong 6 mặt phẳng quỹ đạo (nghiêng 55 độ

so với mặt phẳng xích đạo) xung quanh trái đất với bán kính 26.560 km(Yasuda, 2001) Hay nói cách khác độ cao trung bình của vệ tinh GPS so vớimặt đất vào khoảng 20.200 km (Wikipedia, 2006)

- GALILEO

Cả hai hệ thống GPS và GLONASS được sử dụng chính cho mục đíchquân sự Đối với những người sử dụng dân sự có thể có sai số lớn nếu như cơquan điều hành GPS và GLONASS kích hoạt bộ phận gây sai số chủ định, ví dụnhư SA của GPS Do vậy Liên hợp Âu Châu (EU) đã lên kế hoạch thiết kế vàđiều hành một hệ thống định vị vệ tinh mới mang tên GALILEO, mang tên nhàthiên văn học GALILEO, với mục đích sử dụng dân sự. Việc nghiên cứu dự án

hệ thống GALILEO được bắt đầu triển khai thực hiện từ năm 1999 do 4 quốc giaChâu Âu: Pháp, Đức, Italia và Anh Quốc Giai đoạn đầu triển khai chương trìnhGALILEO bắt đầu năm 2003 và theo dự kiến sẽ hoàn thành và đưa vào sử dụngtrong năm 2010 (chậm hơn so với thời gian dự định ban đầu 2 năm) (Wikipedia,2006) GALILEO được thiết kế gồm 30 vệ tinh chuyển động trong 3 mặt

Ba hệ thống này đều được ứng dụng rộng rãi với những tính năng ưu việtriêng của mình Cho đến nay, hệ thống GPS là hệ thống được đánh giá cao và làmột hệ thống hoàn thiên, phổ biến nhất hiện nay, nên trong khóa luận này, tôi chỉtập chung nghiên cứu về hệ thống định vị toàn cầu GPS

2.3 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ GPS

2.3.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS

- Hệ thống định vị toàn cầu GPS gồm 3 bộ phận là:

- Đoạn không gian (Space Segment)

- Đoạn điều khiển (Control Segment)

- Đoạn sử dụng (User Segment)

2.3.1.1 Đoạn không gian (Space Segment)

Đoạn không gian gồm 28 vệ tinh chuyển động trên 6 mặt phẳng quỹ đạo(mỗi mặt phẳng có 4 vệ tinh), nghiêng với mặt phẳng xích đạo Trái đất một góckhoảng 550 Vệ tinh có độ cao cỡ 20200km so với bề mặt Trái đất chuyển độngtrên quỹ đạo gần tròn với chu kỳ 718 phút Do sự phân bố vệ tinh như vậy màbất kỳ thời điểm nào, ở bất cứ vị trí nào trên Trái đất cũng có thể quan trắc được

ít nhất 4 vệ tinh

Hình 2.5 Chuyển động của vệ tinh trên quỹ đạo

Chương trình đưa các vệ tinh lên quỹ đạo được chia làm các khối (Block).Các vệ tinh của khối sau có trọng lượng và tuổi thọ lớn hơn Năng lượng cungcấp cho hoạt động của các thiết bị vệ trên vệ tinh là năng lượng pin mặt trời.Mỗi vệ tinh đều được trang bị đồng hồ nguyên tử độ chính xác rất cao (cỡ 10-12).Tất cả các vệ tinh GPS đều có thiết bị tạo dao động với tần số chuẩn cơ sở là f0=10,23 MHz Dựa trên f0 thiết bị sẽ tạo ra hai tần số sóng tải L1 và L2:

là 1 miligiây, trong đó chứa 1023 bite, mỗi một vệ tinh phát đi một C/A codekhác nhau.

+ P - code (Precision code) là code chính xác được sử dụng cho các mụcđích quân sự của Mỹ và chỉ dùng cho mục đích khác khi được phía Mỹ cho phép

P - code điều biến cả hai sóng tải L1 và L2, có độ dài cỡ 1014 bite và là code tựangẫu nhiên Tín hiệu của P – code có tần số đúng bằng tần số chuẩn f0 (10,23MHz), tương ứng với bước sóng 29,3m Mỗi vệ tinh chỉ được gán một đoạn codenày, do vậy rất khó bị giải mã để sử dụng nếu không được phép

+ Y - code là code bí mật được phủ lên P – code nhằm chống bắt chước,gọi là kỹ thuật AS (Anti Spoosing) Chỉ có các vệ tinh thuộc các khối từ sau năm

1989 (khối 2) mới có khả năng này

Ngoài các tần số trên, các vệ tinh GPS còn có thể trao đổi với các trạmđiều khiển mặt đất qua các tần số 1783,74 MHz và 2227,5 MHz để truyền thôngtin đạo hàng và lệnh điều khiển tới vệ tinh

Tất cả các code được khởi tạo lại sau mỗi tuần lễ GPS vào đúng nửa đêmthứ 7 chủ nhật, như vậy tuần lễ GPS là đơn vị thời gian lớn nhất sử dụng trongcông nghệ GPS

2.3.1.2 Đoạn điều khiển (Control Segment)

Hình 2.6 Sơ đồ bố trí các trạm điều khiển

Đoạn điều khiển được thiết lập để duy trì hoạt động của toàn bộ hệ thốngđịnh vị GPS Đoạn này gồm 1 trạm điều khiển trung tâm (MCS) được đặt tại căn

cứ không quân Mỹ gần Colorado spings và 4 trạm theo dõi đặt trên mặt đất là:Hawaii (Thái Bình Dương), Assension island (Đại Tây Dương), Diego garcia(Ấn Độ Dương), Kwajalein (Thái Bình Dương).

Vai trò của đoạn điều khiển là rất quan trọng vì nó không chỉ theo dõi các

vệ tinh mà còn liên tục cập nhật chính xác các thông tin đạo hàng, đảm bảo độchính xác cho công tác định vị bằng hệ thống GPS

2.3.1.3 Đoạn sử dụng (User Segment)

Phần sử dụng bao gồm các máy thu tín hiệu từ vệ tinh trên đất liền, máybay và tàu thủy Các máy thu này phân làm 2 loại: máy thu 1 tần số và máy thu

2 tần số Máy thu 1 tần số chỉ nhận được các mã phát đi với sóng mang L1 Cácmáy thu 2 tần số nhận được cả 2 sóng mang L1 và L2 Các máy thu 1 tần số pháthuy tác dụng trong đo tọa độ tuyệt đối với độ chính xác 10 m và tọa độ tươngđối với độ chính xác từ 1 đến 5 cm trong khoảng cách nhỏ hơn 50 km Vớikhoảng cách lớn hơn 50 km độ chính xác sẽ giảm đi đáng kể (độ chính xác cỡdm) Để đo được trên những khoảng cách dài đến vài nghìn km chúng ta phải sửdụng máy 2 tần số để khử ảnh hưởng của tầng ion trong khí quyển Trái Đất.Toàn bộ phần cứng GPS hoạt động trong hệ thống tọa độ WGS-84 với kíchthước elipsoid

a = 6378137.0 m = 1:29825722.α Phần sử dụng GPS có 3 bộ phận chính:

• Phần cứng

• Phần mềm

• Phần triển khai công nghệ

Phần cứng bao gồm máy thu mạch điện tử , các bộ dao động tần số vô tuyến RF (Radio Friquency), các ăngten và các thiết bị ngoại vi cần thiết

để hoạt động máy thu Đặc điểm chính yếu của bộ phận này là tính chắc chắn,

có thể xách tay, tin cậy khi làm việc ngoài trời và dễ thao tác

Phần mềm bao gồm những chương trình tính dùng để xử lý dữ liệu cụ thể,chuyển đổi những thông báo GPS thành những thông tin định vị hoặc dẫn đường

đi hữu ích Những chương trình này cho phép người sử dụng tác động khi cần để

có thể lợi dụng được những ưu điểm của nhiều đặc tính định vị GPS Những

chương trình này có thể sử dụng được trong điều kiện ngoại nghiệp và đượcthiết kế sao cho có thể cung cấp những thông báo hữu ích về trạng thái và sựtiến bộ của hệ thống tới người điều hành Ngoài ra trong phần mềm còn baogồm những chương trình phát triển tính độc lập của máy thu GPS, có thể đánhgiá được các nhân tố như tính sẵn sàng của vệ tinh và mức độ tin cậy của độchính xác

Phần triển khai công nghệ hướng tới mọi lĩnh vực liên quan đến GPS như:cải tiến thiết kế máy thu, phân tích và mô hình hoá hiệu ứng của ăngten khácnhau, hiệu ứng truyền sóng và sự phối hợp của chúng trong phần mềm xử lý sốliệu, phát triển các hệ thống liên kết truyền thông một cách tin cậy cho các hoạtđộng định vị GPS cự ly dài và ngắn khác nhau và theo dõi các xu thế phát triểntrong lĩnh vực giá cả và hiệu suất thiết bị

Máy thu GPS là phần cứng quan trọng trong đoạn sử dụng Nhờ các tiến

bộ kỹ thuật trong lĩnh vực điện tử viễn thông và ký thuật thông tin tín hiệu số,các máy thu GPS ngày một hoàn thiện Một số hãng chế tạo cũng cho ra đời cácmáy thu có thể thu đồng thời tín hiệu vệ tinh GPS và GLONASS

Cùng với máy thu còn có các phần mềm phục vụ xử lý thông tin nhưTrimble, Trimnet Plus, GPSurvey,… Các phần mềm này ngày càng hoàn thiện,nâng cao độ chính xác và hiệu quả tính toán, xử lý

Hình 2.7 Trimble R3 Hình 2.8 Trimble R4

2.3.2 Các đại lượng đo GPS

2.3.2.1 Trị đo khoảng cách giả

Trị đo khoảng cách giả là khoảng cách giả đo được từ vệ tinh đến tâmanten của máy thu, trong đó chứa sai số đồng hồ của máy thu (đồng hồ thạchanh) và đồng hồ vệ tinh (đồng hồ nguyên tử) cũng như sự chậm thời gian do ảnh

1 1

1 1

0 0

1 1

1 1

0 0

1 1

1 1

0 0

0 0

0 0

1 1

0 0

0 0

1 1

1 1

0 0

1 1

1 1

1 1 1

1

0 0

0 0

0 0

1 1

1 1

1 1

0 0

0 0

0 0

1 1

1 1

∆t

∆t

t t

Code truyền từ vệ tinh Code truyền từ vệ tinh

Code thu được Code thu được Code do máy tạo ra Code do máy tạo ra

hưởng của môi trường lan truyền tín hiệu Mỗi vệ tinh GPS luôn phát đi cùngvới sóng tải một code tựa ngẫu nhiên riêng (PRN-Code) và khoảng cách giả sẽđược xác định dựa trên khoảng thời gian từ khi phát đến khi thu tín hiệu PRN-Code Để làm được điều đó máy thu GPS sẽ tạo ra code tựa ngẫu nhiên giốngnhư code phát đi từ vệ tinh So sánh code nhận được theo thang thời gian đồng

hồ vệ tinh và code máy thu tạo ra theo thang đồng hồ máy thu, ta xác định đượckhoảng thời gian lan truyền tín hiệu từ vệ tinh tới máy thu Sự mô tả nguyên tắcxác định khoảng cách giả được biểu diễn như trên hình vẽ:

2.3.2.2 Trị đo khoảng cách giả

Trong kỹ thuật vô tuyến điện, người ta đã xác định được độ chính xác dokhoảng cách cỡ 1% bước sóng Trong bảng 4.1 sẽ cho ta thấy sự so sánh độchính xác đo khoảng cách giả R với việc sử dụng các sóng tải L1, L2 và các tínhiệu C/A-code, P-code

Bảng 2.4 So sánh độ chính xác của các giải sóng

0\

=\0 0 10

1 1 1 0 0 0

ẹ: là khoảng cách hình học giữa vệ tinh và máy thu

: là bước sóng của sóng tải ( = c/f)

N: là số nguyên lần bước sóng ở

∆ọ: là sai số không đồng bộ giữa đồng hồ của vệ tinh và của máy thu

Khoảng cách cần đo và số nguyên đa trị thường không được biết trước màcần phải xác định trong quá trình đo Trong trường hợp đo pha của sóng tải L1,

có thể xác định khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu với độ chính xác cỡcentimet Sóng tải L2 cho độ chính xác thấp hơn ít nhiều, nhưng tác dụng chủyếu của nó là cùng với sóng tải L1 tạo ra khả năng làm giảm ảnh hưởng đáng kểcủa tầng điện ly, ngoài ra nó cũng làm cho việc xác định số nguyên đa trị đượcđơn giản hơn

2.3.3 Các phương pháp đo GPS

2.3.3.1 Đo GPS tuyệt đối

- Nguyên lý đo GPS tuyệt đối

Đo GPS tuyệt đối là trường hợp sử dụng máy thu GPS để xác định ngay

ra toạ độ của điểm quan sát trong hệ thống WGS-84 Đó có thể là các thànhphần toạ độ vuông góc không gian (X, Y, Z) hoặc các thành phần toạ độmặt cầu (B, L, H)

x x

o o

M M

Y Y

X X

Z Z

G G

z

y

Hình 2.10 Sơ đồ tọa độ không gian

Hình 2.11 Nguyên lý định vị tuyệt đối

Việc đo GPS tuyệt đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lượng đó làkhoảng cách giả từ vệ tinh đến máy thu theo nguyên tắc giao hội không gian từcác điểm có toạ độ đã biết là các vệ tinh

Nếu biết chính xác khoảng thời gian lan truyền tín hiệu code tựa ngẫunhiên từ vệ tinh đến máy thu, ta sẽ tính được khoảng cách chính xác giữa vệ tinh

mà máy thu Khi đó 3 khoảng cách được xác định đồng thời từ 3 vệ tinh đếnmáy thu sẽ cho ta vị trí không gian đơn trị của máy thu Song trên thực tế cảđồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu đều có sai số, nên các khoảng cách đo đượckhông phải là khoảng cách chính xác Kết quả là chúng không thể cắt nhau tại

một điểm, nghĩa là không thể xác định được vị trí của máy thu Để khắc phụctình trạng này cần sử dụng thêm một đại lượng đo nữa đó là khoảng cách từ một

vệ tinh thứ tư Để thấy rõ điều này ta viết thêm một hệ gồm 4 phương trìnhdạng:

2 2

2 2

2 2

2 2

2 2

2 2

2 2

) ( ) (

) (

) (

) ( ) (

) (

) (

) ( ) (

) (

) (

) ( ) (

) (

) (

4 4

4

3 3

3

2 2

2

1 1

1

t C R Z

Z Y Y X X

t C R Z

Z Y Y X X

t C R Z

Z Y Y X X

t C R Z

Z Y Y X X

s S

S

s S

S

s S

S

s S

S

(1.3)Tại một trạm máy, công tác quan trắc được tiến hành đồng thời nên thànhphần ∆t chỉ còn là ảnh hưởng của sai số đồng hồ máy thu Do đó, bằng cách đokhoảng cách giả đồng thời tới 4 vệ tinh, ta sẽ xác định được 4 ẩn số (X, Y, Z) làcác thành phần toạ độ của máy thi (điểm xét) theo toạ độ WGS-84 và sai sốđồng hồ máy thu ∆t

Vậy là, bằng cách đo khoảng cách giả đồng thời từ 4 vệ tinh đến máy thu

ta có thể xác định được toạ độ tuyệt đối của máy thu, ngoài ra còn xác định thêmđược số hiệu chỉnh do đồng hồ (thạch anh) của máy thu nữa

Quan sát đồng thời 4 vệ tinh là yêu cầu tối thiểu cần thiết để xác định toạ

độ không gian tuyệt đối của điểm quan sát Tuy nhiên, nếu máy thu được trang

bị đồng hồ chính xác cao thì khi đó chỉ còn 3 ẩn số là 3 thành phần toạ độ điểmquan sát Để xác định chúng ta chỉ cần quan sát đồng thời 3 vệ tinh

- Đo vi phân

Phần lớn khách hàng sử dụng máy thu GPS thường có nhu cầu định vị với

độ chính xác từ cỡ đêximet đến vài chục mét Nhưng với chế độ can thiệp SA(Selective Availabitily) thì hệ thống GPS chỉ cho độ chính xác định vị hạn chế

cỡ 100m Để tháo gỡ sự hạn chế này, giới kỹ thuật và các nhà sản xuất máy thuGPS đã đưa ra một phương pháp đo được gọi là đo GPS vi phân

Theo phương pháp này chỉ cần có một máy thu GPS có khả năng phát tínhiệu vô tuyến được đặt tại điểm có toạ độ đã biết (gọi là máy cố định), đồng thời

có máy khác (gọi là máy di động) đặt ở vị trí cần xác định toạ độ, đó có thể làđiểm cố định hoặc điểm di động Cả máy cố định và di động cần tiến hành đồngthời thu tín hiệu từ các vệ tinh như nhau Nếu thông tin từ vệ tinh bị nhiễu, thì

kết quả xác định toạ độ của cả máy cố định và máy di động cũng đều bị sai lệch.

Độ sai lệch này, được xác định trên cơ sở so sánh toạ độ tính ra theo tín hiệu thuđược và toạ độ biết trước của máy cố định và được xem là như nhau cho cả máy

cố định và di động Nó được máy cố định phát đi qua sóng vô tuyến để máy diđộng thu nhận mà hiệu chỉnh cho kết quả xác định toạ độ của mình

Ngoài cách hiệu chỉnh cho toạ độ, người ta còn tiến hành hiệu chỉnh chokhoảng cách từ vệ tinh đến máy thu Cách hiệu chỉnh thứ hai này đòi hỏi máythu cố định có cấu tạo phức tạp và tốn kém hơn, nhưng lại cho phép người sửdụng xử lý chủ động, linh hoạt hơn

Phương pháp đo GPS vi phân có thể có hai cách xử lý số hiệu chỉnh tạiđiểm di động:

- Phương pháp xử lý đồng thời (Real time)

- Phương pháp hậu xử lý (Post-procesing)

Để đảm bảo độ chính xác, các máy di động không nên đặt quá xa máy cốđịnh, để đảm bảo giá trị nhiễu là như nhau Đồng thời, số liệu cải chính vi phâncần phải xác định và chuyển phát nhanh với tần suất cao Độ chính xác củaphương pháp này đạt tới mét thậm chí vài đêximet

2.3.3.2 Đo GPS tương đối

- Nguyên lý của đo GPS tương đối

Hình 2.12 Kỹ thuật đo tương đối

J1(ti) J1(ti)

1

1

J2(ti) J2(ti)

J

J

J1(ti) J1(ti)

2

2

Đo GPS tương đối là trường hợp sử dụng hai máy thu GPS đặt ở hai điểmquan sát khác nhau để xác định ra hiệu toạ độ vuông góc không gian (∆X, ∆Y,

∆Z) hay hiệu toạ độ mặt cầu (∆B, ∆L, ∆H) giữa chúng trong hệ toạ độ WGS-84

Nguyên tắc đo GPS tương đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đạilượng đo pha là pha của sóng tải Để đạt được độ chính xác cao và rất cao chokết quả xác định hiệu toạ độ (hay vị trí tương hỗ) giữa hai điểm xét, người ta đãtạo ra và sử dụng các sai phân khác nhau cho pha sóng tải nhằm làm giảm ảnhhưởng của các nguồn sai số khác nhau như: sai số của đồng hồ trên vệ tinh cũngnhư trong máy thu, sai số của toạ độ vệ tinh, số nguyên đa trị…

Ta ký hiệu pha (chính xác hơn là hiệu pha) của sóng tải từ vệ tinh J được đotại trạm quan sát r vào thời điểm ti, ta sẽ có sai phân bậc một được lập như sau:

Hình 2.13 Trạm quan sát r vào 1 thời điểm

∆fJ(ti)= fJ

2(ti) - fJ

i(ti) (1.4)Trong sai phân này hầu như không còn ảnh hưởng của sai số đồng hồ trên

1 1

j(ti ) j(ti

2

j(ti+1) j(ti+1)

k(ti) k(ti)

k(ti+1) k(ti+1)

Trong sai phân này, hầu như không có ảnh hưởng của sai số đồng hồ trên

vệ tinh cũng như sai số của đồng hồ trong máy thu

Nếu xét hai trạm tiến hành quan sát đồng thời hai vệ tinh J, k vào các thờiđiểm ti, ti+1, ta sẽ có sai phân bậc 3:

Hình 2.15 Trạm quan sát vệ tinh J, k tại 2 thời điểm

∆3fJ,k= ∆2fk(ti+1) -∆fJ.k(ti) (2.6)Sai phân này cho phép loại trừ các số nguyên đa trị Bằng cách tổ hợptheo từng cặp vệ tinh (số vệ tinh thường xuất hiện nhiều hơn 4) ta sẽ có rấtnhiều trị đo Lời giải đơn trị sẽ được xử lý theo nguyên lý số bình phươngnhỏ nhất

Hiện nay hệ thống GPS có khoảng 27-28 vệ tinh hoạt động Do vậy,tại mỗi thời điểm ta có thể quan sát được số vệ tinh nhiều hơn 4 Bằng cáchtổng hợp theo từng cặp vệ tinh sẽ có rất nhiều trị đo, mặt khắc thời gian thutín hiệu trong đo tương đối thường khá dài, vì vậy số lượng trị đo để xácđịnh ra hiệu tọa độ giữa hai điểm là rất lớn, khi đó bài toán sẽ giải theophương pháp số bình phương nhỏ nhất

- Đo tĩnh (Static)

Phương pháp đo tĩnh được sử dụng để xác định hiệu toạ độ (vị trí tươnghỗ) giữa hai điểm xét với độ chính xác cao, thường là nhằm đáp ứng các yêu cầucủa công tác trắc địa - địa hình Trong trường hợp này cần có 2 máy thu, mộtmáy đặt ở điểm đã biết toạ độ, còn máy kia đặt ở điểm cần xác định Cả hai máyphải đồng thời thu tín hiệu từ một số vệ tinh chung liên tục trong một khoảngthời gian nhất định, thường là từ một đến vài ba tiếng đồng hồ Số vệ tinh chungtối thiểu cho cả hai trạm quan sát là 3, nhưng thường được lấy là 4 để đề phòngtrường hợp thu tín hiệu vệ tinh bị gián đoạn Khoảng thời gian quan sát phảikéo dài là đủ để cho đồ hình phân bố vệ tinh thay đổi mà từ đó ta có thể xác định

được số nguyên đa trị của sóng tải và đồng thời là để có nhiều trị đo nhằm đạt

độ chính xác cao và ổn định cho kết quả quan sát

Trong đo tĩnh, cần lưu ý đến công tác bố trí các ca đo Khoảng thời gianquan trắc của các máy thu được gọi là độ dài ca đo Khoảng quan trắc đầu tiêntrong ngày được kí hiệu là DDD0 và tiếp theo là DDD1 Số hiệu ngày DDDđược ký hiệu từ 001 đến 365 ngày (ngày Julian), và như vậy ca đo 1052 chỉ ca

đo thứ 3 trong ngày thứ 105

Khi quyết định độ dài thời gian quan trắc trong các ca đo cần căn cứ vào:

- Độ dài của cạnh đo

- Số lượng vệ tinh có thể quan trắc

- Cấu hình vệ tinh

- Độ ổn định của tín hiệu vệ tinh thu được

Thông thường khi vệ tinh càng nhiều thì cấu hình càng tốt và thời gianquan trắc có thể rút ngắn hơn Thời gian quan trắc cũng có thể rút ngắn đối vớicạnh đo có chiều dài ngắn hơn Bảng 1.5 sau đây kiến nghị khoảng thời gian đohợp lý cho trường hợp quan trắc từ 4 vệ tinh trở lên với điều kiện khí tượng bìnhthường

Bảng 2.5 Thời gian đo hợp lý

Chiều dài cạnh(km)

Độ dài ca đo(phút)

là 15km có thể nhận đựơc kết quả chính xác với chỉ 2 phút số liệu đo

Đây là phương pháp cho phép đạt độ chính xác cao nhất trong việc định vịtương đối bằng GPS có thể cỡ centimet, thậm chí milimet ở khoảng cách giữahai điểm xét tới hàng chục và hàng trăm km Nhược điểm chủ yếu của phươngpháp là thời gian đo phải kéo dài hàng giờ đồng hồ, do vậy năng suất đo thườngkhông cao.

- Đo động (Kinematic)

Phương pháp đo động cho phép xác định vị trí tương đối của hàng loạtđiểm so với điểm đã biết, trong đó tại mỗi điểm đo chỉ cần thu tín hiệu trong mộtvài phút Theo phương pháp này, cần có ít nhất hai máy thu Để xác định sốnguyên đa trị của tín hiệu vệ tinh, cần phải có một cạnh đáy đã biết được gối lênhai điểm đã biết toạ độ Sau khi đã xác định, số nguyên đa trị được giữ nguyên

để tính khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu cho các điểm đo tiếp trong suốt cảchu kỳ đo Nhờ vậy, thời gian thu tín hiệu thời điểm đo không phải là một tiếngđồng hồ như trong đo tĩnh nữa mà chỉ còn một vài phút trong phương pháp này

Với cạnh đáy đã biết, ta đặt một máy thu cố định ở điểm đầu cạnh đáy vàcho tiến hành thu liên tục tín hiệu vệ tinh trong suốt chu kỳ đo, máy này gọi làmáy cố định ở điểm cuối cạnh đáy, một phút Việc làm này gọi là khởi đo(initialization), còn máy thứ hai được gọi là máy di động Tiếp đó cho máy diđộng lần lượt chuyển đến các điểm đo cần xác định, tại mỗi điểm dừng lại để thutín hiệu trong một phút, cuối cùng quay trở về điểm xuất phát là điểm cuối cạnhđáy để khép tuyến đo bằng lần thu tín hiệu thứ hai cũng kéo dài trong một phúttại điểm này

Yêu cầu nhất thiết của phương pháp đo động là cả máy cố định và máy diđộng phải đồng thời thu tín hiệu liên tục từ ít nhất là 4 vệ tinh chung trong suốtchu kỳ đo Vì vậy, tuyến đo phải bố trí ở khu vực thoáng đãng không để xảy ratình trạng tín hiệu thu bị gián đoạn Nếu xảy ra trường hợp này phải tiến hànhkhởi đo lại cạnh đáy xuất phát hoặc sử dụng một cạnh đáy khác được thiết lập

dự phòng trên tuyến đo

Phương pháp đo động cho phép đạt độ chính xác định vị không thua kém

so với phương pháp đo tĩnh Song nó lại đòi hỏi khá ngặt nghèo về thiết kế và tổchức đo để đảm bảo yêu cầu về đồ hình phân bố cũng như tín hiệu của vệ tinh

Hình 2.16 Định vị động

- Kỹ thuật đo giả động (Pseudo-Kinematic)

Phương pháp đo giả động cho phép xác định vị trí tương đối của hàng loạtđiểm đã biết trong khoảng thời gian đo khá mạnh, nhưng độ chính định vị khôngcao bằng phương pháp đo động Trong phương pháp này, không cần làm thủ tụckhởi đo, tức là không cần sử dụng cạnh đáy đã biết Máy cố định cũng phải tiếnhành thu tín hiệu trong suốt chu kỳ đo, máy di động được chuyển tới các điểm cầnxác định và mỗi điểm thu tín hiệu 5-10 phút

Sau khi đo hết lần lượt máy di động quay trở về điểm xuất phát và đo lặplại tất cả các điểm theo đúng trình tự như trước, nhưng chú ý phải đảm bảokhoảng trời thời gian giãn cách giữa hai lần đo tại mỗi thời điểm không ít hơn mộttiếng đồng hồ Yêu cầu nhất thiết của phương pháp này là phải có ít nhất 3 vệ tinhchung cho cả hai lần đo tại mỗi điểm quan sát

- Đo cải chính phân sai GPS (Code-Based Differential GPS)

Hiện nay do nhu cầu định vị tới độ chính xác cỡ dm đến vài m trong khi đómặc dù chính phủ Mĩ đã khuyến cáo bỏ chế độ can thiệp SA nhưng độ chính xáccủa định vị tuyệt đối vẫn không dưới 10m Vì vậy, các nhà sản xuất đã đưa raphương pháp đo sai phân

Trong phương pháp này cần một máy thu GPS được kết nối với một bộđiều biến để phát tín hiệu tại điểm gốc, một số máy khác (máy di động) đặt tại vịtrí các điểm cần xác định tọa độ Cả máy cố định và máy thu cùng tín hiệu như vệtinh như nhau Nếu thông tin từ vệ tinh bị nhiễu thì kết quả xác định tọa độ của

máy cố định và máy thu cũng bị sai lệch như nhau Độ sai lệch này được xác địnhtrên cơ sở so sánh tọa độ tính theo tín hiệu và tọa độ của máy cố định đã biếttrước Sai lệch đó ở máy cố định phát qua sóng vô tuyến để máy di động nhậnđược và hiệu chỉnh kết quả cho các điểm đo.

Ngoài cách hiệu chỉnh tọa độ thì người ta còn tiến hành hiệu chỉnh khoảng cách

từ vệ tinh tới máy thu Cách hiệu chỉnh này đòi hỏi máy thu cố định có cấu tạo phứctạp và tốn kém hơn Nhưng cho phép người sử dụng xử lý chủ động và linh hoạt hơn

Phương pháp này có hai cách xử lý số hiệu chỉnh tại điểm đi động:

- Phương pháp xử lý tức thời (Read time)

- Phương pháp xử lý sau (Post processing)

Để đảm bảo độ chính xác cần thiết, các số hiệu chỉnh cần xác định và phátchuyển nhanh với tần suất cao, chẳng hạn để cho khoảng cách từ vệ tinh đến máythu được hiệu chỉnh tọa độ chính các cỡ 5m thì số hiệu chỉnh phải được phátchuyển đi với tần suất 15s/lần Cùng với lý do này mà phạm vi hoạt động có hiệuquả của một máy thu cố định không phải là tùy ý mà thường hạn chế ở bán kínhvài trăm km Người ta đã xây dựng hệ thống GPS vi phân diện rộng cũng nhưmạng lưới GPS vi phân gồm một số trạm cố định để phục vụ nhu cầu định vị cho

cả một lục địa hay đại dương với độ chính xác cỡ 10m Phương pháp định vị GPS

có thể đảm bảo độ chính xác phổ biến cỡ vài ba m đến dm

2.3.4 Các nguồn sai số trong đo GPS

2.3.4.1 Sai số của đồng hồ vệ tinh

Sai số do đồng hồ: Đây là sai số của đồng hồ trên vệ tinh, đồng hồ trênmáy thu và sự không đồng bộ của chúng, đặc biệt là trong định vị tuyệt đối

Đồng hồ trên vệ tinh được trạm điều khiển trên mặt đất theo dõi và do đónếu phát hiện có sai lệch trạm này sẽ phát tín hiệu chỉ thị thông báo số cải chínhcho máy thu GPS biết để sử lý Để làm giảm ảnh hưởng sai số đồng hồ cả của vệtinh và máy thu, người ta sử dụng hiệu các trị đo giữa các vệ tinh cũng như giữacác trạm quan sát

- Hiệu chỉnh đồng hồ máy thu GPS

Phương pháp xác định vị trí đối với trường hợp không xẩy ra lỗi đã đượcgiới thiệu ở mục trên Một trong những lỗi nguồn quan trọng nhất là đồng hồ

máy thu Bởi vì giá trị rất lớn của tốc độ ánh sáng, C, khoảng cách ước lượng từmáy thu GPS đến vệ tinh lớn rất dễ gây ra sai hỏng đối với đồng hồ máy thu Đềxuất sử dụng một đồng hồ vô cùng chính xác và đắt tiền dùng cho công việc củamáy thu GPS Mặt khác yêu cầu sản xuất máy thu GPS với giá rẻ của đa số cácnhà sản xuất, giải pháp dựa trên giao điểm các bề mặt cầu giải quyết vấn đề GPSrơi vào tình trạng tiến lui đều khó Trường hợp giao tuyến của bề mặt của 3 mặtcầu Khi hình tròn (giao tuyến của 2 mặt cầu đầu tiên) thường khá lớn và mặtcầu thứ 3 cắt hình tròn to này Chưa chắc bề mặt của mặt cầu tương ứng với tâm

là vệ tinh thứ tư sẽ đi qua 2 giao điểm của 3 mặt cầu đầu tiên khi bất kỳ một lỗiđồng hồ có thể gây ra sự sai lệnh của giao điểm Tuy nhiên khoảng cách từ ướclượng hợp lý vị trí máy thu tới bề mặt của mặt cầu thứ 4 có thể sử dụng để tínhtoán như một đồng hồ chính xác Lấy r4 là khoảng cách ước lượng từ vị trí máythu GPS đến vệ tinh thứ 4 và p4 là khoảng cách từ vệ tinh thứ 4 đến máy thu

được tính thông qua 3 vệ tinh còn lại Gọi da = r4 – p4 Ta nhận thấy da chính

là khoảng cách từ vị trí máy thu tới bề mặt của mặt cầu tâm là vệ tính thứ 4, bán

kính P4 Vì thế thương số, b = da/C , cung cấp một

Ước lượng b = (thời gian chính xác)– ( thời gian trên đồng hồ máy thu)

Đồng hồ máy thu sẽ là nhanh nếu b dương, và là chậm nếu b âm

2.3.4.2 Sai số của quỹ đạo vệ tinh

Sai số do quỹ đạo vệ tinh: Chuyển động của vệ tinh trên quỹ đạo khôngtuân thủ nghiêm ngặt định luật Kepler do có nhiều tác động nhiễu như: Tínhkhông đồng nhất của trọng trường trái đất, ảnh hưởng của sức hút của mặt trăng,mặt trời và của các thiên thể khác, sức cản của khí quyển, áp lực của bức xạ mặttrời,

Vị trí tức thời của vệ tinh chỉ có thể xác định theo mô hình chuyển độngđược xây dựng trên cơ sở các số liệu quan sát từ các trạm có độ chính xác caotrên mặt đất thuộc đoạn điều khiển của hệ thống GPS và đương nhiên có chứasai số Có hai loại ephemerit được xác định từ kết quả hậu sử lý số liệu quan sátcho chính các thời điểm nằm trong khoảng thời gian quan sát và ephemerit đượcngoại suy từ các ephemerit nêu trên cho máy ngày tiếp theo, loại ephemerit thứnhất có độ chính xác ở mức 10 - 50 m, và chỉ được cung cấp khi được Chínhphủ Mĩ cho phép, còn loại thứ 2 ở mức 20 -100 m và cho phép khách hàng sử

dụng Sai số vị trí của vệ tinh ảnh hưởng gần như trọn vẹn tới sai số xác định toạ

độ của điểm quan trắc đơn riêng biệt, nhưng lại được loại trừ đáng kể trong kếtquả định vị tương đối giữa hai điểm

Để biết được vị trí của vệ tinh trên quỹ đạo thì người sử dụng có thể căn

cứ vào lịch vệ tinh Tùy thuộc vào mức độ chính xác của thông tin, lịch vệ tinhđược chia thành 3 loại:

Lịch vệ tinh dự báo (Almanac): Phục vụ cho lập lịch và xác định quangcảnh nhìn thấy của vệ tinh tại thời điểm quan sát, lịch vệ tinh này có sai số cỡvài km

Lịch vệ tinh quảng bá (Broadcast ephemeris): Được tạo lập dựa trên 5trạm quan sát thuộc đoạn điều khiển của hệ thống GPS, hiện nay khi chế độnhiễu SA đã được bỏ thì lịch vệ tinh quảng bá có sai số cỡ từ 2-5m

Lịch vệ tinh chính xác (Accuracy calendar): Được lập trên cơ sở các sốliệu quan trắc trong mạng lưới giám sát và tính toán nhờ một số tổ chức khoahọc, loại lịch này cho sai số nhỏ hơn 0.5km

2.3.4.3 Sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu

Sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu: Được phát đi từ vệ tinh ở độ cao

200 km xuống tới máy thu trên mặt đất, các tín hiệu vô tuyến phải xuyên quatầng điện ly và tầng đối lưu Tốc độ lan truyền tín hiệu tăng tỉ lệ thuận với mật

độ điện tử tự do trong tầng điện ly và tỉ lệ nghịch với bình phương tần số của tínhiệu, ảnh hưởng của tầng điện ly sẽ được loại trừ đáng kể bằng cách sử dụng haitần số tải khác nhau Chính vì thế, để đảm bảo định vị với độ chính xác caongười ta sử dụng các máy thu GPS 2 tần số Xong khi 2 điểm quan sát ở gầnnhau thì ảnh hưởng nhiễu xạ do 2 tần số kết hợp sẽ lớn hơn so với 1 tần số và dovậy nên sử dụng máy thu 1 tần số cho trường hợp định vị ở khoảng cách ngắn,ảnh hưởng của tầng điện ly vào ban đêm sẽ nhỏ hơn tới 5-6 lần so với ban ngày,ảnh hưởng của tầng đối lưu có thể được mô hình hóa theo các yếu tố khí tượng

là nhiệt độ, áp suất và độ ẩm Nó có thể được xem là gần như nhau đối với haiđiểm quan sát ở cách nhau không quá vài chục km và vì thế sẽ được loại trừđáng kể trong hiệu trị đo giữa hai điểm quan sát Để làm giảm ảnh hưởng củatầng điện ly và tầng đối lưu người ta quy định chỉ quan sát vệ tinh ở độ cao từ

15o trở lên so với mặt phẳng chân trời Hiện nay người ta đã sử dụng một số môhình khí quyển, trong đó có mô hình Hopfield được dụng rộng rãi

đối lưu

2.3.4.4 Sai số do nhiễu xạ tín hiệu vệ tinh

Sai số do nhiễu tín hiệu: Ăng ten của máy thu không chỉ thu tín hiệu đithẳng từ vệ tinh tới mà còn nhận cả các tín hiệu phản xạ từ mặt đất và môitrường xung quanh Sai số do hiện tượng này gây ra được gọi là sai số do nhiễu

xạ của tín hiệu vệ tinh Để làm giảm sai số này, các nhà chế tạo máy thu khôngngừng hoàn thiện cấu tạo của cả máy thu và ăng ten

Tổng hợp ảnh hưởng của các nguồn sai số chủ yếu nêu trên cùng vớinguồn sai số phụ khác, khoảng cách từ vệ tinh đến các điểm quan sát phụ khác

sẽ có sai số 13 m với xác suất 95% Nếu xét đến ảnh hưởng của chế độ C/A thìsai số này sẽ là 50 m Song các giá trị này mới chỉ là sai số của khoảng cách từmỗi vệ tinh đến điểm quan sát, chứ không phải là sai số của bản thân vị trí điểmquan sát Do vị trí điểm quan sát được xác định bởi phép giao hội khoảng cách

từ các vệ tinh nên độ chính xác của nó phụ thuộc vào các góc giao hội, tức làphụ thuộc vào đồ hình phân bố vệ tinh so với điểm quan sát, để có được sai số vịtrí điểm quan sát ta phải đem sai số khoảng cách giao hội nhân với một hệ số lớnhơn 1 Hệ số này đặc trưng cho đồ hình giao hội và được gọi là hệ số phân tán

độ chính xác (Dilution of Precision - DOP) Rõ ràng DOP càng nhỏ thì vị tríđiểm quan sát được xác định càng chính xác

Hệ số DOP tổng hợp nhất là hệ số phân tán độ chính xác hình học GDOP, vì nó đặc trưng cho cả ba thành phần tọa độ không gian X, Y, Z và yếu

-tố thời gian t Hệ số GDOP từ 2 -4 được coi là -tốt

Để khắc phục sai số nhiễu tín hiệu, khi thiết kế điểm đo cần bố trí xa cáctrạm phát sóng, các đường dây cao thế,… không bố trí máy dưới các rặng cây.

2.3.4.5 Sai số do người đo

Việc định vị chủ yếu được thực hiện bởi máy thu nhưng có một số thaotác do người thực hiện Do đó có thể gây ra sai số như: sai số định tâm, đo chiềucao anten chưa chính xác…

Độ cao anten của máy thu cũng là một đại lượng tham gia vào các thànhphần của vector cạnh (Base line) trong định vị tương đối Cho nên khi đo caoanten cẩn thận trọng đọc số một cách chính xác trên thước đo Có thể đọc số trên

cả thang “met” và thang đơn vị “inch”

Khi máy đang thu tín hiệu, không nên đứng vây xung quanh máy hoặcche ô cho máy

Điều đáng chú ý nhất trong phương pháp này là máy di động khôngcần thu tín hiệu vệ tinh liên tục trong suốt chu kỳ đo như phương pháp đo động,tại mỗi điểm đo máy chỉ đo 5-10 phút sau đó có thể tắt máy trong lúc di chuyểntới điểm khác Điều này cho phép áp dụng cả ở những khu vực có nhiều vật chekhuất

Dưới đây là bảng tổng hợp thống kê nguồn lỗi khi đo GPS và biện phápkhắc phục: